УДК 621.315.592

ББК Г52:3843.3

A46

А46	Александрова О. А., Мошников В. А. Физика и химия материалов оптоэлектроники и наноэлектроники: Практикум. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2007. 68 с.

ISBN 5-7629-0807-0

Содержит анализ физико-химических свойств традиционных и новых материалов, в том числе многокомпонентных твердых растворов, оценку их потенциальных возможностей в приборных и технологических реализациях с учетом возникающих физических эффектов и явлений.

Предложены задачи для проведения практических занятий и для самостоятельного углубленного изучения дисциплин. Приведены справочные данные, необходимые для проведения расчетов.

Предназначен для студентов направления 654100 "Электроника и микроэлектроника" специальностей 210104 "Микроэлектроника и твердотельная электроника" (курсы "Материалы оптоэлектроники", "Некристаллические материалы") и 210108 "Микросистемная техника" (курсы "Материалы микросистемной техники", "Нанотехнология"), для магистров направления 550700 "Электроника и микроэлектроника" (магистерская специализация 550710 "Полупроводниковые материалы и структуры").

УДК 621.315.592

ББК Г52:3843.3

Рецензенты: кафедра физики твердого тела и микроэлектроники Новгородского ун-та им. Ярослава Мудрого; лауреат Государственной премии РФ, д-р. физ. мат. наук, проф. С. А. Немов (СПбГПУ).

Утверждено

редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Isbn 5-7629-0807-0 © cПбГэту "лэти", 2007 Введение

Учебные пособия, предназначенные для развития и закрепления практических навыков студентов в анализе физико-химических свойств традиционных и новых материалов, оценки их потенциальных возможностей в приборных реализациях с учетом возникающих физических эффектов, конструкционных особенностей, технологии изготовления и эксплуатации, всегда были и будут актуальны.

В течение 60-летия существования кафедры микроэлектроники (до 1995 г. кафедры диэлектриков и полупроводников) материаловедение являлось одной из главных составляющих при подготовке специалистов [1] – [6]. Кроме учебных дисциплин по материалам электронной техники, входящих в программу обучения всех студентов СПбГЭТУ "ЛЭТИ", на кафедре поставлены специальные курсы по материалам оптоэлектроники, некристаллическим и композиционным материалам, материалам микросистемной техники.

Прогресс в области материаловедения сопровождается быстрым внедрением в технику новых материалов, включая наноматериалы. Новые материалы зачастую структурируют с использованием новейших достижений в области нанотехнологий и нанодиагностики. Возникло новое направление – наноиндустрия. В основе направления "наноиндустрия" лежит использование новых, ранее неизвестных свойств и функциональных возможностей материальных систем при переходе к наномасштабам, определяемых особенностями процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при наноструктурировании [7], [8].

В условиях перехода высшей школы на двухступенчатую систему обучения (бакалавры, магистры), появления новых специальностей и направлений подготовки (микросистемная техника, нанотехнология) создаются новые учебные дисциплины. Это должно сопровождаться обновлением учебно-методических комплексов традиционных учебных дисциплин и созданием учебно-методических комплексов нового поколения. В процессе реформации важно не потерять накопленный опыт, а органично трансформировать его в свете новых задач.

Небольшой объем настоящего издания не соизмерим с масштабом задач по модернизации дисциплин, связанных с материаловедением. Авторы полностью осознают это. Авторы – сторонники педагогической концепции творческого подхода студентов к изучаемому материалу путем отказа от изложения "суммы знаний" и заострения внимания на проблемных вопросах современного материаловедения, поэтому в учебном пособии расширенный библиографический список. Также в некоторых задачах приведены исторические справки. Как показал педагогический опыт авторов, это "оживляет" изучение материала.

Цель настоящего пособия – приобрести и закрепить практические навыки:

1) по прогнозированию полупроводниковых свойств в многокомпонентных материалах с использованием физико-химических методов;

2) по выбору материалов для полупроводниковых гетероструктур при решении задач оптоэлектроники и наноэлектроники.

1. Основы физико-химического анализа многокомпонентных систем

Физико-химическим анализом (ФХА) называют метод исследования физико-химических систем, посредством которого устанавливают характер взаимодействия компонентов системы путем анализа соотношения между ее физическими свойствами и составом [9].

Основоположником физико-химического анализа является выдающийся ученый Н. С. Курнаков (1860 – 1941). Академик Курнаков внес громадный вклад в развитие отечественной науки. Он являлся директором Государственного института прикладной химии, организовал и руководил Институтом физико-химического анализа, Лабораторией общей химии, Институтом по изучению платины и других благородных металлов, а после объединения этих трех организаций в 1934 г. – Институтом общей и неорганической химии, который с 1944 г. носит его имя. Для студентов СПбГЭТУ "ЛЭТИ" важно знать, что Н. С. Курнаков преподавал в нашем вузе.

В основе ФХА лежат правило фаз Гиббса и принципы непрерывности и соответствия [9].

Принцип непрерывности. При непрерывных изменениях параметров состояния свойства системы изменяются также непрерывно (при условии, что число фаз в системе остается постоянным). При изменении числа фаз некоторые свойства системы меняются скачком.

Принцип соответствия. Каждой фазе или совокупности фаз системы соответствует определенный геометрический образ (точка, линия, поверхность, объем) на диаграмме "состав – свойство".

Задача 1.1. Доказать, что любой состав тройной системы А – В – С может быть однозначно представлен в виде точки в равностороннем треугольнике АВС (рисунок), а концентрация каждого из компонентов А, В, С – нормированной высотой, опущенной из точки, соответствующей заданному составу, на противоположную сторону.

Решение. По условию АВ = АС = ВС = а. Пусть Н – высота, опущенная из вершины Δ АВС на противоположную сторону. Возьмем произвольную точку О, опустим частные высоты h_A, h_B, h_C. Площадь Δ АВС равна S = .

Определение концентрации компонентов в тройной системе А – В – С

С другой стороны, площадь Δ АВС равна сумме площадей Δ АОС, Δ СОВ, Δ АОВ:

, т. е. .

В тройной системе А – В – С любой состав может быть записан в виде формулы А_хВ_уС_1–х–у. Сумма атомных долей N_i и сумма массовых долей C_i равны единице: =1; = 1. Таким образом, сопоставляя или можно использовать 2 вида (мольный и массовый) концентрационных треугольников, называемых треугольниками Гиббса.

Примечание. В большинстве случаев удобнее пользоваться мольным треугольником Гиббса.

Задача 1.2. На треугольнике Гиббса изобразить геометрический образ составов тройной системы А_хВ_уС_1–х–у, отвечающей условию у = 0,3 ат. дол.

Задача 1.3. На треугольнике Гиббса найти геометрический образ составов тройной системы А_хВ_уС_1–х–у, в которых отношения атомных долей элементов А и В равны: а) ; б) ; в) .

Задача 1.4. Изобразить на треугольнике Гиббса для системы Ga–In–P совокупность составов, соответствующих твердым растворам Ga_хIn_1–хP.

Указание. Для построения геометрического образа Ga_хIn_1–хP ввести нормированный множитель 0,5, чтобы , иными словами, необходимо иметь геометрический образ составов .

Задача 1.5. Определить геометрический образ состава в тройной системе Pb – Sn – Te, который соответствует условиям ; . Результат записать в виде общей формулы и формулы для тройного раствора.

Ответ: Pb_0,4Sn_0,1Te_0,5 и Pb_0,8Sn_0,2Te.

Задача 1.6. Какая геометрическая фигура соответствует совокупности геометрических образов составов для четверной системы А – В – С – D (формула A_xB_yC_zD_1–x–y-z)? Что является мерой атомной концентрации для каждого элемента?

Ответ: а) тетраэдр; б) атомным концентрациям каждого из элементов отвечают высоты, опущенные на грани, нормированные к значению главной высоты, опущенной из вершины тетраэдра на противоположную грань.